Дифференциальный усилитель: принцип работы

Дифференциальный усилитель (ДУ) используется для усиления разности между двумя входными сигналами. Его можно рассматривать как аналоговую схему, состоящую из двух входов и одного выхода.

Усилители, применяемые в различных электрических и электронных схемах для формирования сигналов и выполнения математических операций, называются операционными усилителями (ОУ). Они являются ключевыми компонентами электронного аналогового компьютера. Их изобретение в начале 1940-х привело к замене механических счетных устройств на тихую и быструю электронику. Многие аналоговые компьютеры опирались на вакуумные трубки, имеющихся в продаже у компании Джорджа Филбрика в 1952 году.

В 1963 году Боб Видлар в Fairchild Semiconductor сделал ОУ на единой интегральной схеме A702 - самого первого монолитного операционного усилителя IC.

Схема транзисторного усилителя

Дифференциальный операционный усилитель может быть собран по схеме, как показано на рисунке ниже, который состоит из двух транзисторов T1 и T2.

В схеме ДУ есть два входа I1 и I2 и два выхода V1out и V2out. Вход I1 подается на базовую клемму транзистора T1, вход I2 - на базовый терминал транзистора T2. Выходы эмиттера транзистора Т1 и транзистора Т2 подключены к общему резистору эмиттера. Таким образом, два входных сигнала I1 и I2 будут влиять на выходы V1out и V2out. Схема состоит из двух напряжений питания Vcc и Vee, но нет заземляющего вывода. Даже при наличии одного напряжения питания, цепь может работать нормально (аналогично при использовании двух напряжений питания). Следовательно, противоположные точки положительного напряжения и отрицательного напряжения питания подключены к земле.

Принципиальная схема работы ДТ

Работа дифференциального усилителя продемонстрирована на схеме на рисунке ниже.

Если входной сигнал (I1) подается на базу транзистора T1, то через резистор, подключенный к транзисторному транзистору T1, появляется положительное падение напряжения, которое будет меньшим. Если входной сигнал (I1) не подается на базу транзистора T1, то через резистор, подключенный к транзисторному транзистору T1, появляется положительное падение напряжения, которое будет большим.

Можно сказать, что инвертирующий выход, выходящий через коллекторный терминал транзистора Т1, основан на входном сигнале I1, подаваемом на базовый терминал T1. Если T1 включен, применяя положительное значение I1, то ток, проходящий через сопротивление эмиттера, увеличивается, когда ток эмиттера и ток коллектора почти равны. Если падение напряжения на сопротивление эмиттера увеличивается, то эмиттер обоих транзисторов идет в положительном направлении. Если эмиттер транзистора Т2 положителен, то основание Т2 будет отрицательным, и в этом состоянии ток будет меньше. И будет меньше падение напряжения на резисторе, подключенном к контакту коллектора транзистора Т2.

Следовательно, для этого положительного коллектора входного сигнала T2 будет идти в положительном направлении. Можно сказать, что неинвертирующий выход, возникающий на коллекторном терминале транзистора T2, основан на входном сигнале, подаваемом в базу T1. Дифференциальный усилитель принимает выходной сигнал между выводами коллектора транзисторов T1 и T2. Из приведенной выше принципиальной схемы предполагается, что все характеристики транзисторов T1 и T2 идентичны, и если базовые напряжения Vb1 равны Vb2 (базовое напряжение транзистора T1 равно базовому напряжению транзистора T2), то эмиттерные токи обоих транзисторов будут равным (Iem1 = Iem2).

Таким образом, общий ток эмиттера будет равен сумме токов эмиттера T1 (Iem1) и T2 (Iem2). Расчет дифференциального усилителя. Iem1=Iem2 Ie= Iem1+Iem2 Vev=Vb-Vb em I em=(Vb-Vb em)/Rem. Таким образом, ток эмиттера остается неизменным независимо от значения hfe транзисторов T1 и T2. Если сопротивления, подключенные к клеммам коллектора T1 и T2, равны, то их коллекторные напряжения также равны.

Краткое описание работы операционного усилителя

Этот усилитель (Op-amp, английский вариант) может быть идеальным с бесконечным коэффициентом усиления и ширины полосы пропускания при использовании в режиме Open-loop с типичным коэффициентом усиления постоянного тока более 100 000 или 100 дБ. Дифференциальный усилитель тока ОУ имеет два входа, один из которых инвертирован. Усиленная разность этих входов выводится на выходе в виде напряжения. Идеальный операционный усилитель имеет бесконечно высокий коэффициент усиления. Это должно выразить символ бесконечности с новым символом. Операционный усилитель работает либо с двойным положительным (+ V), либо с соответствующим отрицательным (-V) питанием, или может работать от одного постоянного напряжения питания.

Два основных закона, связанных с ОУ

Они заключаются в том, что такой усилитель имеет бесконечный входной импеданс (Z = ∞), который приводит к отсутствию тока, втекающего в один из двух его входов и нулевому входному напряжению смещения V1 = V2. У операционного усилителя также есть нулевой выходной импеданс (Z = 0). Оптические усилители определяют разницу между сигналами напряжения, подаваемыми на их два входных терминала, а затем умножают их на некоторый, заранее определенный коэффициент усиления (A). Этот коэффициент усиления (A) часто называют - Коэффициент разомкнутого контура. ОУ могут быть соединены в двух основных конфигурациях - инвертирующий и неинвертирующий.

Для отрицательной обратной связи, если напряжение обратной связи находится в антифазе на входе, общий коэффициент усиления уменьшается. Для положительной обратной связи, когда напряжение обратной связи находится в «фазе», при этом входной сигнал усилителя увеличивается. Подключив выход обратно к отрицательному входному разъему, достигается 100% обратная связь, в результате чего цепь последователя напряжения (буфер) получается с постоянным усилением 1 (Unity). Заменяя резистор с фиксированной обратной связью (Rƒ) для потенциометра, схема будет иметь регулируемый коэффициент усиления.

Технические характеристики

Основные:

1. Входной ток нулевой последовательности (входной ток смещения) в положении покоя, разные токи могут протекать на двух входах. Это на практике означает, что напряжение искажается в случае источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением, поскольку источники подвергаются разным уровням напряжения.
2. Входное сопротивление может быть измерено против земли на входах, при условии, что другой вход заземлен. Недостатком здесь являются источники с высоким внутренним сопротивлением, которые частично нагружены входным сопротивлением.
3. Входная емкость — конденсаторы, параллельные входным резисторам. Они оказывают возмущающее воздействие, особенно на высоких частотах, поскольку емкости создают дополнительные параллельные входные сопротивления, которые зависят от частоты. У дифференциального усилителя принцип работы зависит от этого показателя.
4. Низкое усиление (увеличение усиления сигнала) указывает на коэффициент усиления, который получается без обратной связи. Он определяется с сопротивлением нагрузки 2 кОм и колебанием выходного напряжения ± 10 В. На практике указанное значение 200 000 никогда не достигалось и обычно ниже в 10 раз.
5. Коэффициент отклонения напряжения питания. При изменении напряжения питания одного вольта смещение изменяется на 0,3 мкВ. Однако с коэффициентом усиления 300 раз ошибка увеличивается на 0,1 мВ.
6. Качание выходного напряжения. ОУ никогда не может генерировать полное входное напряжение на его выходе. В любом случае максимальное выходное напряжение при входном напряжении ± 15 В будет значительно выше ± 10 В. При нормальных нагрузках около ± 13 В и идеальной - всего на 1 В ниже напряжения питания.
7. Выходное сопротивление — эффективное сопротивление переменного тока на выходе, только для выходных сигналов с низким и смещенным выходом. Практически применимы только в пограничных случаях.
8. Ток короткого замыкания на выходе.
9. Ток питания с помощью разгруженного операционного усилителя, с типом 1,7 мА.
10. Производительность — потери мощности, разумеется, у разгруженного операционного усилителя вызваны током питания и зависят от рабочего напряжения. Дифференциальный усилитель на транзисторах нуждается в определенном времени реакции и ухудшает входной сигнал с перескоком. Это относится к нагрузке 2 кОм || 100 пФ и усилению «единства» (единичное усиление).
11. Скорость нарастания для предотвращения неконтролируемого размаха. Если выходное напряжение изменяется на 10 В, операционному усилителю требуется время обычно 5 мкс. Он становится критическим на высоких частотах, так как его выходной сигнал сильно ослаблен.

Граничные условия применения

Основные:

1. Напряжение питания максимально ± 18В. Большинство цепей работают при ± 15 В, поэтому на безопасной стороне.
2. Максимальная потеря мощности (рассеиваемая мощность) зависит от версии корпуса и максимально допустимой температуры. Простой 8-контактный пластиковый корпус может обрабатывать 310 мВт, 14-контактный двухрядный корпус может работать примерно в два раза больше.
3. Входные напряжения и разности могут находиться в диапазоне -15 ... + 15 В. Припой. Во время пайки (пайка) дают нагреться клеммам до 300° C в течение одной минуты. Пайку к клеммам выполняют не одновременно, а один за другим и только после полного охлаждения всего компонента.
4. Короткое замыкание на стороне выхода. По словам производителя, выходное короткое замыкание может длиться бесконечно, если все граничные условия выполнены.
5. Ограничение: температура корпуса не должна превышать 125° C, поэтому температура окружающей среды не должна превышать 75° C

Дифференциальный усилитель с использованием BJT

Принцип его работы показан на приведенной ниже схеме.

Он построен с использованием двух согласующих транзисторов в общей конфигурации эмиттера, эмиттеры которых связаны друг с другом. Простая схема, способная усиливать небольшие сигналы, подаваемые между двумя входами, но при этом подавлять шумовые сигналы, общие для обоих входов.

Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах (BJT) имеет уникальную топологию: два входа и два выхода. Хотя можно использовать сигнал только с одного выхода, разница между обоими выходами обеспечивает вдвое больше выигрыша! И это улучшает подавление синфазного режима (CMR), когда сигнал синфазного сигнала является источником шума или смещением постоянного тока с предыдущего этапа.

Конфигурация транзисторного вычислителя

Основываясь на методах ввода входных и выходных данных, дифференциальные усилители могут иметь четыре различных конфигурации, как показано ниже.

1. Однофазный несбалансированный выход.
2. Единый входной сбалансированный выход.
3. Двойной входной несбалансированный выход.
4. Двойной входной сбалансированный выход.

Принципиальная схема усилителя постоянного тока

При разработке аналоговых строительных блоков (различные типы предусилителей, фильтров и т. д.) важно наряду с разработкой современных решений для глубоких субмикронных технологий, обратить внимание на новые структурные решения традиционных усилительных устройств.

Дифференциальный усилитель постоянного тока (ДУПТ), его выходное напряжение пропорционально разности между двумя входными напряжениями. Это можно представить в форме уравнения следующим образом: V out=A*((Vin+)-(Vin-)), где A = коэффициент усиления.

Практическое применение

В практических схемах ДУ применяется для усиления: импульсов по длинным проводам, звука, радиочастот, управление двигателями и сервомоторами, электрокардиограмм, информации на магнитных накопителях.

Недостатки

Дифференциальный усилитель обладает рядом недостатков, несколько ограничивающих его применение в электронике:

1. Низкая величина входного сопротивления, зависящая от резистора , например, при слабом сигнале с термопары — ДУ даст ошибочный результат измерения.
2. Труднорегулируемый коэффициент усиления, который потребует изменения значения двух резисторов, что практически трудно реализуемо, а ввод в схему дополнительных элементов (потенциометров или мультиплексоров) неоправданно усложнит схему.